1、第一章 三坐标测量机的概述一、三坐标测量机的发展历史世界上第一台测量机是英国 FERRANTI 公司于 1956 年研制成功，当时的测量方式是测头接触工件后，靠脚踏板来记录当前坐标值，然后使用计算器来计算元素间的位置关系。1962 年菲亚特汽车公司一位质量工程师在意大利都灵创建了世界上第一家专业制造坐标测量设备的公司，即先在仍然知名的DEA（Digital Electronic Automation）公司。随后，DEA 公司先后推出了手动、机动并首先使用气浮导轨技术的测量机，也相应配备了各种测头和软件，使之成为世界上最大的测量机供应商之一。1964 年，瑞士 SIP 公司开始使用软件来计算两点
2、间的距离，开始了利用软件进行测量数据计算的时代。随后的国ZEISS 公司使用计算机辅助工件坐标系代替机械对准，从此测量机具备了对工件基本几何元素尺寸、形位公差的检测功能。随着计算机的飞速发展，测量机技术进入了 CNC 控制机时代，完成了复杂机械零件的测量和空间自由曲线曲面的测量，测量模式增加和完善了自学习功能，改善了人机界面，使用专门测量语言，提高了测量程序的开发效率。从 90 年代开始，随着工业制造行业向集成化、柔性化和信息化发展，产品的设计、制造和检测趋向一体化，这就对作为检测设备的三坐标测量机提出了更高的要求，从而提出了新一代测量机的概念。其特点是：1、具有与外界设备通讯的功能；2、具有
3、与 CAD 系统直接对话的标准数据协议格式；3、硬件电路趋于集成化,并以计算机扩展卡的形式,成为计算机的大型外部设备。到 1992 年全球就拥有三坐标测量机 46100 台，工业发达的欧美、日韩每 6-7 台机床配备一台三坐标测量机，我国三坐标测量机生产始于 20 世纪 70 年代，现在已被广泛应用在机械制造、汽车、家电、电子、模具和航空航天等制造领域，并保持快速增长。国内外生产三坐标的厂家较多如：德国的蔡司、意大利的Cord3、日本的三丰、美国的谢菲尔德，国内的海克斯康、青岛雷顿、西安爱德华、北京航空精密机械研究所（303 所） 、上海机床厂、上海第三机床厂、北京二机床、北京机床研究所、天津
4、大学和新天光学仪器厂。二、三坐标测量机发展的意义和作用随着人们生活水平的提高和制造业的快速发展，特别是机床、机械、汽车、航空航天和电子工业，各种复杂零件的研制和生产需要先进的检测技术；同时为应对全球竞争，生产现场非常重视提高加工效率和降低生产成本，其中，最重要的便是生产出高质量的产品。为此，必须实行严格的质量管理，只有在保证高质量生产的前提下，制造业才能生存和发展。因此，为确保零件的尺寸和技术性能符合要求，必须进行精确的测量，因而体现三维测量技术的三坐标测量机应运而生，并迅速发展和日趋完善。三维测量是基于以下的客观要求发展起来的。1、越来越多的工件需要进行空间三维测量，而传统的测量方法不能满足
5、生产的需要。传统测量方法是指用传统测量工具（如千分表、量块、卡尺等）进行的测量，属相对测量，因其测量基准为被加工面，而不是直接的主轴基准，是一种过度基准，再加上传统测量工具本身精度不高，同时人为测量操作随机性误差也较大，这些因素导致测量结果不准；另一方面传统测量工具量程小、被测工件尺寸、形状受到限制，许多测量任务（如尺寸大、形状较复杂）用传统测量工具完成不了，且占用机时较长。2、 由于机械加工、数控机床加工及自动加工线的发展，生产节拍的加快，加工一个零件仅有几十分钟或几分钟，要求加快对复杂工件的检测。例如：汽车和摩托车都采用流水生产线，每辆车上有几千甚至上万个零件，这些零件是由专业化厂分散生产
6、，最后集中部装和总装，每隔几分钟就生产出一辆车。3、 在制造业中，大多数产品都是按照 CAD 数学模型在数控机床上制造完成的，它与原 CAD 数学模型相比，确定其在加工制造中产生的误差，就需用三坐标测量机进行测量。在三坐标测量机的软件系统中可以用图形方式显示原 CAD 数学模型，再按照可视化方式从图形上确定被测点，得到被测点的 X、Y、Z 坐标值及法向矢量，便可生成自动测量程序。三坐标测量机可按法线方向对工件进行精确测量，获得准确的坐标测量结果，也可与原 CAD 数学模型进行比较并以图形方式显示，生成坐标检测报告（包括文本报告和图表报告） ，全过程直观快捷，而用传统的检测方法则无法完成。4、
7、随着生产规模日益扩大，加工精度不断提高，除了需要高精度三坐标测量机的计量室检测外，为了便于直接检测工件，测量往往需要在加工车间进行，或将测量机直接串连到生产线上。检验的零件数量加大，科学化管理程度加强，因而需要各种精度的坐标测量机，以满足生产的需要。5、 实现逆向（反求）工程的需要，例如随着模具生产的发展，在当前的生产制造中往往会碰到这么一种情况，客户能提供给制造者的只有实物而没有任何图纸或 CAD 数据，特别是样件中有曲线、曲面等很难通过测量获得其准确的数据的复杂模型。在这种情况下，传统的加工方法是使用雕刻法或其他方法制作出一个一比一的模具，再用模具进行生产。这种方法无法获得工件准确的尺寸图
8、纸，也很难对其外型进行修改。现在采用的是三维扫描测量出工件轮廓曲线、曲面等数据。因此需要与“数控机床”或“加工中心”相配合的三维检测技术。综上所述，三坐标测量机的出现是标志计量仪器从古典的手动方式向现代化自动测试技术过渡的一个里程碑。三坐标测量机在下述方面对三维测量技术有重要作用。1、实现了对基本的几何元素的高效率、高精度测量与评定，解决了复杂形状表面轮廓尺寸的测量，例如箱体零件的孔径与孔位、叶片与齿轮、汽车与飞机等的外廓尺寸检测。2、 提高了三维测量的测量精度，目前高精度的坐标测量机的单轴精度，每米长度内可达 1um 以内，三维空间精度可达 1um-2um。对于车间检测用的三坐标测量机，每米
9、测量精度单轴也达 3um-4um。3、 由于三坐标测量机可与数控机床和加工中心配套组成生产加工线或柔性制造系统，从而促进了自动生产线的发展。4、 随着三坐标测量机的精度不断提高，自动化程序不断发展，促进了三维测量技术的进步，大大地提高了测量效率。尤其是电子计算机的引入，不但便于数据处理，而且可以完成 CNC 的控制功能，可缩短测量时间达 95%以上。5、 随着激光扫描技术的不断成熟，同时满足了高精度测量（质量检测）和激光扫描（逆向工程）多功能复合型的三坐标测量机发展更好地满足了用户需求，大大降低用户投入成本，提高工作效率。三、三坐标测量机的原理以及长度测量示值误差、空间探测误差1、 三坐标测量
10、机的原理三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。它首先将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出其尺寸和形位误差。如图 1-1-1 所示，要测量工件上一圆柱孔的直径，可以在垂直于孔轴线的截面 I 内，触测内孔壁上三个点（点 1、2、3） ，则根据这三点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标OI；如果在该截面内触测更多的点（点 1，2，n，n 为测点数） ，则可根据最小二乘法或最小条件法计算出该截面圆的圆度误差；如果对多个垂直于孔轴线的截面圆（I，II，m，m 为测量的截面圆数）进行测量，则根据测
11、得点的坐标值可计算出孔的圆柱度误差以及各截面圆的圆心坐标，再根据各圆心坐标值又可计算出孔轴线位置；如果再在孔端面 A 上触测三点，则可计算出孔轴线对端面的位置度误差。由此可见，CMM 的这一工作原理使得其具有很大的通用性与柔性。从原理上说，它可以测量任何工件的任何几何元素的任何参数图 1-1-1 三坐标测量机原理图2、 长度测量示值误差、空间探测误差检测原理长度测量示值误差和空间探测误差的组合可以作为评价坐标测量机性能和精度的指标。长度测量示值误差是使用坐标测量机测量长度实物标准器上两点距离的指示值与真值的差，主要反映了坐标测量机的机构误差；探测误差是使用坐标测量机测量标准球半径的示值变化范围
12、而确定的误差，主要反映了测头的各向异性、瞄准误差和作用直径的影响，提供了坐标测量机的方向特性参数。探测误差是影响测量不确定度的重要因素，对于不同的测头，探测误差也不同。空间探测误差的检测原理如下：选用一个球度误差很小的标准球，在不同的截面上测量标准球半球上 25 个点,用全部 25 个点计算出最小二乘球的中心，并分别计算出 25 个点对该球心的径向距离 r，r 的最大值和最小值的差即为探测误差。检测时要求各个截面上的探测点彼此错开，让测头从不同方向探测。根据坐标测量机校准规范 ，标准球必须是经校准的标准球，直径在 1050 mm 之间，其形状误差应优于被测坐标测量机最大允许探测误差的五分之一。
13、21ZYX3OIAOI第二章 三坐标测量机的组成、结构、分类一、三坐标测量机的组成三坐标测量机是典型的机电一体化设备，它由机械系统和电子系统两大部分组成。1、机械系统（主机）：一般由三个正交的直线运动轴构成。如图 1-2-1 所示结构中，X 向导轨系统装在工作台上，移动桥架横梁是 Y 向导轨系统，Z 向导轨系统装在中央滑架内。三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值。人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一般都在各轴附近。用来触测被检测零件表面的测头装在 Z 轴端部（测头） 。2、电子系统（控制系统）：一般由光栅计数系统、测头信号接口和计算机等组成，用于获得被测坐标点数据，并对数据进行处理。图
14、 1-2-1 三坐标测量机的组成1工作台 2移动桥架 3中央滑架 4Z 轴 5测头 6电子系统二、三坐标测量机的机械结构按照机械结构分类，测量机的主要结构形式可分为：1、移动桥式：移动桥式是当前三坐标测量机的主流结构。有沿着相互正交的导轨而运行的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上，并相对其作垂直运动，第一和第二部分的总成相对第三部分作水平运动，第三部分被架在机座的对应两侧的支柱支承上，并相对机座作水平运动，机座承载工件。移动桥式坐标测量机是目前中小型测量机的主要结构型式，承载能力较大，本身具有台面，受地基影响相对较小，开敞性好，精密比固定桥式稍低。优点：（1）结构简单，结构刚性
15、好，承重能力大；（2）工件重量对测量机的动态性能没有影响。缺点：（1）X 向的驱动在一侧进行，单边驱动，扭摆大，容易产生扭摆误差；（2）光栅是偏置在工作台一边的，产生的阿贝臂误差较大，对测量机的精度有一定影响；（3）测量空间受框架影响。43615X2YZ图 1-2-2 移动桥式坐标测量机2、固定桥式：这类测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上并相对其作垂直运动，第一和第二部分的总成沿着牢固装在机座两侧的桥架上端作水平运动，在第三部分上安装工件。高精度测量机通常采用固定桥式结构，经过改进这类测量机速度可达 400mm/S,加速度达到3000mm/S2
16、，承重达 2000KG，典型的固定桥式有目前世界上精度最好的出自德国 LEITZ 公司的 PMM-C 测量机。图 1-2-3 PMM-C 固定桥式测量机优点：（1）结构稳定，整机刚性强，中央驱动，偏摆小；（2）光栅在工作台的中央，阿贝误差小；（3）X、Y 方向运动相互独立，相互影响小。缺点：（1）被测量对象由于放置在移动工作台上，降低了机动的移动速度，承载能力较小；（2）基座长度大于 2 倍的量程，所以占据空间较大；（3）操作空间不如移动桥式开阔。3、固定工作台悬臂式：这类坐标测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上并相对第三部分作水平运动，第三部分
17、以悬臂状被支撑在一端，并相对机座作水平运动，机座承载工件。优点：（1）结构简单，测量空间开阔。缺点：（1）悬臂沿 Y 向运动时受力点的位置随时变化，从而产生不同的变形，造成测量的误差较大，因此，悬臂式测量机只能用于精度要求不太高的测量中，一般用于小型测量机。图 1-2-4 固定工作台悬臂式坐标测量机4、龙门式：（高架桥式测量机）这类测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上并相对其作垂直运动，第三部分在机座两侧的导轨上作水平运动，机座或地面承载工件。龙门式坐标测量机一般为大中型测量机，要求较好的地基，立柱影响操作的开阔性，但减少了移动部分重量，有利于精
18、度及动态性能的提高，正因为此，近来亦发展了一些小型带工作台的龙门式测量机，龙门式测量机最长可到数十米，由于其刚性要比水平臂好，因而对大尺寸而言可具有足够的精度。典型的龙门式测量机如来自意大利 DEA 公司的 ALPHA 及 DELTA 和 LAMBA 系列测量机。图 1-2-5 龙门式坐标测量机优点：（1）结构稳定，刚性好，测量范围较大；（2）装卸工件时，龙门可移到一端，操作方便，承载能力强。缺点：（2）因驱动和光栅尺集中在一侧，造成的阿贝误差较大，驱动不够平稳。5、L 型桥式：这类坐标测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分，装在第二部分上并相对其作垂直运动，第
19、一和第二部分的总成相对第三部分作水平运动，第三部分在机座平面或低于平面上的一条导轨和在机座上另一条导轨的两条导轨上作水平运动，机座承载工件。L 型桥式坐标测量机是综合移动桥式和龙门式测量机优缺点的测量机，有移动桥式的平台，工作开敞性较好，又像龙门式减少移动的重量，运动速度、加速度可以较大，但要注意辅腿的设计。图 1-2-6 L 型桥式坐标测量机6、移动工作台悬臂式：这类坐标测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上并相对其作垂直运动。第三部分以悬臂被支承在一端，并相对机座作水平运动。第三部分相对机座作水平运动并在其上安装工件。此类测量机载力不高，应用较
20、少。图 1-2-7 移动工作台悬臂式坐标测量机模型7、水平悬臂式：这类坐标测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上并相对其作水平运动。第一和第二部分的总成相对第三部分作垂直运动。第三部分相对机座作水平运动，并在机座上安装工件。如果进行细分，可以为水平悬臂移动式坐标测量机，固定工作台水平悬臂式坐标测量机，移动工作台水平悬臂坐标测量机。水平臂测量机在 X 方向很长，Z 向较高，整机开敞性比较好，是测量汽车各种分总成、车身时最常用的测量机。图 1-2-8 水平悬臂式坐标测量机8、柱式：这类坐标测量机有两个可移动组成部分，装有探测系统的第一部分相对机座作垂直
21、运动。第二部分装在机座上并相对其沿水平方向运动，在该部分上安装工件。柱式坐标测量机精度比固定工作台悬臂测量机为高，一般只用于小型高精度测量机，适于要求前方开阔的工作环境。图 1-2-9 柱式坐标测量机模型三、三坐标测量机按驱动方式分类1、手动型由操作员手工使其三轴运动来实现采点，其结构简单，无电机驱动，价格低廉。缺点是测量精度在一定程度上受人的操作影响，多用于小尺寸或测量精度不很高的零件检测；2、机动型与手动型相似，只是运动采点通过电机驱动来实现，这种测量机不能实现编程自动测量； 3、自动型也称 CNC 型，由计算机控制测量机自动采点（当然也可实现上述两种一样的操作） ，通过编程实现零件自动测
22、量，且精度高。注释：阿贝误差是由于测量中不遵守阿贝原则而引起的。阿贝原则是指在设计计量仪器或测量工件时,应该将被测长度与仪器的基准长度安置在同一条直线上。阿贝原则 它是德国的阿贝在 19 世纪 60 年代提出的。他认为，在长度测量中，被测长度应位于线纹尺刻度中心线的延长线上。按此原则设计的测量工具，由导轨直线度误差引起的测量误差是二阶误差，即阿贝误差，一般可以忽略不计，这样就可以获得精确的测量结果。第三章 三坐标测量机的测量系统三坐标测量机的测量系统由标尺系统和测头系统构成，它们是三坐标测量机的关键组成部分，决定着 CMM 测量精度的高低。一、标尺系统标尺系统是用来度量各轴的坐标数值的，目前三
23、坐标测量机上使用的标尺系统种类很多，它们与在各种机床和仪器上使用的标尺系统大致相同，按其性质可以分为机械式标尺系统（如精密丝杠加微分鼓轮，精密齿条及齿轮，滚动直尺） 、光学式标尺系统（如光学读数刻线尺，光学编码器，光栅，激光干涉仪）和电气式标尺系统（如感应同步器，磁栅） 。根据对国内外生产 CMM 所使用的标尺系统的统计分析可知，使用最多的是光栅，其次是感应同步器和光学编码器。有些高精度 CMM 的标尺系统采用了激光干涉仪。现就光栅尺在三坐标应用进行简要的介绍。光栅尺在三坐标测量机里面的作用是对刀具和工件的坐标起一个检测的作用，在数控机床中常用来观察其是否走刀有误差，以起到一个补偿刀具的运动的
24、误差的补偿作用。其实就象人眼睛看到我切割偏没偏的作用。然后可以给手起到一个是否要调整我是否要改变用力的标准.光栅尺主要安装在移动三轴上面,起到一直刻度度量的作用.其是在光栅尺之中，位移传感器起到的作用是最大的。下面我们来论述一下位移传感器的安装方法与基本原理。1、位移传感器基本原理光栅位移传感器的工作原理，是由一对光栅副中的主光栅(即标尺光栅)和副光栅(即指示光栅)进行相对位移时,在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间(或明暗相间)的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白(或明暗)相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为 90的正弦波或
25、方波,送入光栅数显表计数显示。2、位移传感器安装方式光栅线位移传感器的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。一般将主尺安装在机床的工作台(滑板)上，随机床走刀而动,读数头固定在床身上，尽可能使读数头安装在主尺的下方。其安装方式的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则必须增加辅助密封装置。另外,一般情况下，读数头应尽量安装在相对机床静止部件上，此时输出导线不移动易固定，而尺身则应安装在相对机床运动的部件上(如滑板)。2.1、位移传感器安装基面安装光栅线位移传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。
26、光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件上，用千分表检查机床工作台的主尺安装面与导轨运动的方向平行度。千分表固定在床身上，移动工作台，要求达到平行度为 0.1mm/1000mm以内。如果不能达到这个要求，则需设计加工一件光栅尺基座。基座要求做到：（1）应加一根与光栅尺尺身长度相等的基座(最好基座长出光栅尺 50mm 左右)。（2）该基座通过铣、磨工序加工，保证其平面平行度 0.1mm/1000mm 以内。另外，还需加工一件与尺身基座等高的读数头基座。读数头的基座与尺身的基座总共误差不得大于0.2mm.安装时，调整读数头位置，达到读数头与光栅尺尺身的平行度为 0.1mm 左右,读数头与光
27、栅尺尺身之间的间距为 11.5mm 左右。2.2、位移传感器主尺安装将光栅主尺用 M4 螺钉上在机床安装的工作台安装面上，但不要上紧，把千分表固定在床身上，移动工作台(主尺与工作台同时移动)。用千分表测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整主尺 M4 螺钉位置，使主尺平行度满足 0.1mm/1000mm 以内时，把 M2 螺钉彻底上紧。在安装光栅主尺时，应注意如下三点：（1）在装主尺时，如安装超过 1.5M 以上的光栅时，不能象桥梁式只安装两端头，尚需在整个主尺尺身中有支撑。（2）在有基座情况下安装好后，最好用一个卡子卡住尺身中点(或几点)。（3）不能安装卡子时，最好用玻璃胶粘住光栅尺身，
28、使基尺与主尺固定好。 2.3、位移传感器读数头的安装在安装读数头时，首先应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安装方法与主尺相似.最后调整读数头，使读数头与光栅主尺平行度保证在 0.1mm 之内,其读数头与主尺的间隙控制在11.5mm 以内。 2.4、位移传感器限位装置光栅线位移传感器全部安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。另外，用户在选购光栅线位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸 100mm 左右的光栅尺，以留有余量。 2.5、位移传感器检查光栅线位移传感器安装完毕后，可接通数显表，移动工作台，观察数显表计
29、数是否正常。在机床上选取一个参考位置，来回移动工作点至该选取的位置。数显表读数应相同(或回零)。另外也可使用千分表(或百分表)，使千分表与数显表同时调至零(或记忆起始数据)，往返多次后回到初始位置，观察数显表与千分表的数据是否一致。通过以上工作，光栅传感器的安装就完成了，但对于一般的机床加工环境来讲，铁屑、切削液及油污较多，因此，光栅传感器应附带加装护罩，护罩的设计是按照光栅传感器的外形截面放大留一定的空间尺寸确定，护罩通常采用橡皮密封，使其具备一定的防水防油能力。3、位移传感器使用注意事项 （1）光栅传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。 （2）尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上的
30、切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅传感器壳体内部。 （3）定期检查各安装联接螺钉是否松动。 （4）为延长防尘密封条的寿命，可在密封条上均匀涂上一薄层硅油，注意勿溅落在玻璃光栅刻划面上。 （5）为保证光栅传感器使用的可靠性，可每隔一定时间用乙醇混合液(各 50%)清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁。 （6）光栅传感器严禁剧烈震动及摔打，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光栅传感器即失效了。 （7）不要自行拆开光栅传感器，更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距，否则一方面可能破坏光栅传感器的精度；另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦，损坏铬层也就损坏了栅线，以而造成光栅尺报废。
31、 （8）应注意防止油污及水污染光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。 （9）光栅传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面，破坏光栅尺质量。二、测头系统1、三坐标测头概述三坐标测头是探测系统最重要的一部分，可以说，三坐标测头与三坐标测量机的关系将会是有很大的关系，其中精度、探测速度都与测头有着紧密的关系，测头是精密量仪的关键部件之一，作为传感器提供被测工件的几何(坐标)信息，其发展水平直接影响着精密量仪的测量精度、工作性能、使用效率和柔性程度。坐标测量机是一种典型的精密量仪，其发展历史也表明，只有在精密测头为坐标测量机提供新的触测原理、新的测量精度后
32、，三坐标测量机才能发生一次根本的变化。换言之，精密测头是限制精密量仪精度和速度的主要因素，精密量仪能否满足现代测量要求也依赖于精密测头系统的不断创新与发展。2.精密测头的演变精密测头的发展有悠久的历史，最早可追溯到上世纪 20 年代电感测微仪的出现；但真正快速发展却得益于上世纪 50 年代末三坐标测量机的出现。迄今，精密测头通常分为接触式测头与非接触式测头两种，其中接触式测头又分为机械式测头、触发式测头和扫描式测头；非接触式测头分为激光测头和光学视频测头。2.1、机械接触式测头机械式测头又称接触式硬测头，是精密量仪使用较早的一种测头。通过测头测端与被测工件直接接触进行定位瞄准而完成测量，主要用
33、于手动测量。根据其触测部位的形状，可以分为圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测头、点测头、V 型块测头等（如图 1-3-1 所示） 。这类测头的形状简单，制造容易，但是测量力的大小取决于操作者的经验和技能，因此测量精度差、效率低。目前除少数手动测量机还(a) (b) (c) (d) (e) (f)采用此种测头外，绝大多数测量机已不再使用这类测头。图 1-3-1 机械接触式测头(a) 圆锥形测头 (b) 圆柱形测头 (c) 球形测头 (d) 半圆形测头 (e) 点测头 (f) V 型块测头2.2、触发式测头图 1-3-2 触发式测头1弹簧 2芯体 3测杆 4钢球 5触点目前市面上广泛存在的
34、精密测头是触发式测头，如图 1-3-2 所示。第一个触发式测头于 1972 年由英国 Renishaw 公司研制。触发式测头的测量原理是测杆安装在芯体上，而芯体则通过三个沿圆周 1200分布的钢球安放在三对触点上，当测杆没有受到测量力时，芯体上的钢球与三对触点均保持接触，当测杆的球状端部与工件接触时，不论受到 X、Y、Z 哪个方向的接触力，至少会引起一个钢球与触点脱离接触，从而引起电路的断开，产生阶跃信号，直接或通过计算机控制采样电路，将沿三个轴方向的坐标数据送至存储器，供数据处理用。该类测头具有结构简单、使用方便、制作成本低及较高触发精度等优点，是三维测头中应用最广泛的测头。但该类测头也存在
35、各向异性(三角效应)、预行程等误差,限制了其测量精度的进一步提高，最高精度只能达零点几微米。在精密量仪上采用触发式测头进行测量时，通常是两点定线、三点定面、三点或四点定圆等方法，其实质是用几个点的坐标来确定理想几何要素的尺寸大小，而在形位误差测量方面就显示出明显缺陷，扫描测头的出现弥补了触发式测头这方面的不足。2.3、扫描式测头扫描式测头也称量化测头，测头输出量与测头偏移量成正比，作为一种精度高、功能强、适应性广的测头，同时具备空间坐标点的位置探测和曲线曲面的扫描测量的功能。该类测头的测量原理是测头测端在接触被测工件后，连续测得接触位移，测头的转换装置输出与测杆的微小偏移成正比的信号，该信号和
36、精密量仪的相应坐标值叠加便可得到被测工件上点的精确坐标。若不考虑测杆的变形，扫描式测头是各向同性的，故其精度远远高于触发式测头。该类测头的缺点是结构复杂，制造成本高，目前世界上只有少数公司可以生产。图 1-3-3 为德国 ZEISS 公司生产的扫描式测头的结构。12534测头采用三层片簧导轨形式，三个方向共有三层，每层由两个片簧悬吊。转接座 17 借助两个 X 向片簧 16 构成的平行四边形机构可作 X 向运动。该平行四边形机构固定在由 Y 向片簧 1 构成的平行四边形机构的下方，借助片簧 1，转接座可作 Y 向运动。Y 向平行四边形机构固定在由 Z 向片簧 3 构成的平行四边形机构的下方，依
37、靠它的片簧，转接座可作 Z 向运动。为了增强片簧的刚度和稳定性，片簧中间为金属夹板。为保证测量灵敏、精确，片簧不能太厚，一般取 0.1mm。由于 Z 向导轨是水平安装，故用三组弹簧2、14、15 加以平衡。可调弹簧 14 的上方有一螺纹调节机构，通过平衡力调节微电机 10 转动平衡力调节螺杆 11，使平衡力调节螺母套 13 产生升降来自动调整平衡力的大小。为了减小 Z 向弹簧片受剪切力而产生变位，设置了弹簧 2 和 15，分别用于平衡测头 Y 向和 X 向部件的自重。在每一层导轨中各设置有三个部件：锁紧机构：如图 1-3-3b 所示，在其定位块 24 上有一凹槽，与锁紧杠杆 22 上的锁紧钢球
38、 23 精确配合，以确定导轨的“零位” 。在需打开时，可让电机 20 反转一角度，则此时该向导轨处于自由状态。需锁紧时，再使电机正转一角度即可。位移传感器：用以测量位移量的大小，如图 1-3-3c 所示，在两层导轨上，一面固定磁芯 27，另一面固定线圈 26 和线圈支架 25。阻尼机构：用以减小高分辨率测量时外界振动的影响。如图 1-3-3d 所示，在作相对运动的上阻尼支架 28 和下阻尼支架 31 上各固定阻尼片 29 和 30，在两阻尼片间形成毛细间隙，中间放入粘性硅油，使两层导轨在运动时，产生阻尼力，避免由于片簧机构过于灵敏而产生振荡。该测头加力机构工作原理如图 1-3-3a 所示，其中
39、 X 向加力机构和 Y 向加力机构相同（图中只表示出了 X 向） 。X 向加力机构是利用电磁铁 6 推动杠杆 5，使其绕十字片簧 8 的回转中心转动而推动中间传力杆7 围绕波纹管 4 组成的多向回转中心旋转，由于中间传力杆与转接座 17 用片簧相连，因而推动测头在 X方向“预偏置” 。Z 向加力机构是利用电磁铁 9 产生的，当电磁铁作用时，在 Z 向产生的上升或下降会通过顶杆 12 推动被悬挂的 Z 向的活动导轨板，从而推动测头在 Z 方向“预偏置” 。图 1-3-3 扫描式测头a 总体结构 b 锁紧机构 c 位移传感器 d 阻尼机构1Y 向片簧 2平衡弹簧 3Z 向片簧 4波纹管 5杠杆 6
40、电磁铁 7中间传力杆8十字片簧 9电磁铁 10平衡力调节微电机 11平衡力调节螺杆 12顶杆13平衡力调节螺母套 14平衡弹簧 15平衡弹簧 16X 向片簧 17转接座 18测杆19拔销 20电机 21弹簧 22杠杆 23锁紧钢球 24定位块 25线圈支架26线圈 27磁芯 28上阻尼支架 29阻尼片 30阻尼片 31下阻尼支架2.4、光学测头不论是触发式测头还是扫描式测头，都是采用接触式探针与被测工件接触采集轮廓点，然后进行数据处理，进而得到被测工件的位置或形状信息。由于接触式探针有一定的大小，不能对一些孔、槽等内尺寸较小的工件进行测量；另外，测头测端与被测工件接触时产生的压力会引起被测工件
41、的变形和划伤，也难以对一些薄片、刀口轮廓及柔软的材料进行测量。而非接触式测头由于采用光学方法可以避免接触式测头这方面的限制。在多数情况下，光学测头与被测物体没有机械接触，这种非接触式测量具有一些突出优点，主要体现在：（1）由于不存在测量力，因而适合于测量各种软的和薄的工件；（2）由于是非接触测量，可以对工件表面进行快速扫描测量；（3）多数光学测头具有比较大的量程，这是一般接触式测头难以达到的；（4）可以探测工件上一般机械测头难以探测到的部位。123 14457 8 913151617186 101112303129282225262723212019 24dcbaZX近年来，光学测头发展较快，
42、目前在坐标测量机上应用的光学测头的种类也较多，如三角法测头、激光聚集测头、光纤测头、体视式三维测头、接触式光栅测头等。下面简要介绍一下三角法测头的工作原理。如图 1-3-4 所示，由激光器 2 发出的光，经聚光镜 3 形成很细的平行光束，照射到被测工件 4 上（工件表面反射回来的光可能是镜面反射光，也可能是漫反射光，三角法测头是利用漫反射光进行探测的），其漫反射回来的光经成像镜 5 在光电检测器 1 上成像。照明光轴与成像光轴间有一夹角，称为三角成像角。当被测表面处于不同位置时，漫反射光斑按照一定三角关系成像于光电检测器件的不同位置，从而探测出被测表面的位置。这种测头的突出优点是工作距离大，在
43、离工件表面很远的地方（如 40mm100mm）也可对工件进行测量，且测头的测量范围也较大（如5mm10mm） 。不过三角法测头的测量精度不是很高，其测量不确定度大致在几十至几百微米左右。这种测头缺点是表面明暗的突变，突跳的台阶，倾斜的表面或曲面以及直接反射光都会导致误差。图 1-3-4 激光非接触式测头工作原理1光电检测器 2激光器 3聚光镜 4工件 5成像镜非接触式测头一般采用光学的方法进行测量，由于测头无需接触被测工件，故不存在测量力，更不会划伤被测工件，同时可以测量软质介质的表面形貌。但该类测头受外界影响因素较多，如被测物体的形貌特征、辐射特性以及表面反射情况都会影响测量结果。到目前为止
44、，非接触式测头的测量精度还不是很高，还无法取代接触式测头在精密量仪中的位置。3、测头附件为了扩大测头功能、提高测量效率以及探测各种零件的不同部位，常需为测头配置各种附件，如测端、探针、连接器、测头回转附件等。3.1、测端52314对于接触式测头，测端是与被测工件表面直接接触的部分。对于不同形状的表面需要采用不同的测端。图 1-3-5 为一些常见的测端形状。图 2-4a 为球形测端，是最常用的测端。它具有制造简单、便于从各个方向触测工件表面、接触变形小等优点。图 2-4b 为盘形测端，用于测量狭槽的深度和直径。图 2-4c 为尖锥形测端，用于测量凹槽、凹坑、螺纹底部和其它一些细微部位。图 2-4
45、d 为半球形测端，其直径较大，用于测量粗糙表面。图 2-4e 为圆柱形测端，用于测量螺纹外径和薄板。图 1-3-5 测端的形状(a)球形测端 (b)盘形测端 (c)尖锥形测端 (d)半球形测端 (e)圆柱形测端3.2、探针探针是指可更换的测杆。在有些情况下，为了便于测量，需选用不同的探针。探针对测量能力和测量精度有较大影响，在选用时应注意：（1）在满足测量要求的前提下，探针应尽量短，因为测量时探针的弯曲越大,偏移越大,测量的重复精度就越低；（2）探针直径必须小于测端直径，在不发生干涉条件下，应尽量选大直径探针和大直径测端；选用大直径探针和大直径测端,一方面可以减小加工表面缺陷时测量精度的影响,
46、另一方面可以增大探针的有效工作长度.（3）在需要长探针时，可选用硬质合金探针，以提高刚度。若需要特别长的探针，可选用质量较轻的陶瓷探针。3.3、连接器为了将探针连接到测头上、测头连接到回转体上或测量机主轴上，需采用各种连接器。常用的有星形探针连接器、连接轴、星形测头座等。图 1-3-6 为星形测头座示意图，其上可以安装若干不同的测头，并通过测头座连接到测量机主轴上。(a) (c) (d)(b) (e)测量时，根据需要可由不同的测头交替工作。图 1-3-6 激光非接触式测头工作原理1星形测头座 2测头 3回转接头座 4测头 5星形探针连接器 6测头 7测头3.4、回转附件对于有些工件表面的检测，
47、比如一些倾斜表面、整体叶轮叶片表面等，仅用与工作台垂直的探针探测将无法完成要求的测量，这时就需要借助一定的回转附件，使探针或整个测头回转一定角度再进行测量，从而扩大测头的功能。常用的回转附件为如图 1-3-7 a 所示的测头回转体。它可以绕水平轴 A 和垂直轴 B 回转，在它的回转机构中有精密的分度机构，其分度原理类似于多齿分度盘。在静盘中有 48 根沿圆周均匀分布的圆柱，而在动盘中有与之相应的 48 个钢球，从而可实现以 7.5o为步距的转位。它绕垂直轴的转动范围为 360o，共48 个位置，绕水平轴的转动范围为 0o105 o，共 15 个位置。由于在绕水平轴转角为 0o（即测头垂直向下）
48、时，绕垂直轴转动不改变测端位置，这样测端在空间一共可有 48141673 个位置。能使测头改变姿态，以扩展从各个方向接近工件的能力。目前在测量机上使用较多的测头回转体为 RENISHAW 公司生产的各种测头回转体，图 1-3-7 b 为其实物照片。图 1-3-7 可分度测头回转体(a) 二维测头回转体示意图 (b) PH10M 测头回转体实物照片1测头 2测头回转体4、三座标测头的发展趋势B2 211A(b)(a)5126437从整体上考察，近年来无论哪类精密测头主要向着精度更高、尺寸更小、互换性更好、综合功能更强、数字化的方向发展。由于触发式测头成本低、结构简单,并能满足常用的测量要求，在一
49、定时期内仍是市场上应用最多的测头，其发展方向是尺寸小、集成度高、精度高、各向异性小。目前,Renishaw 公司占据了该类测头全世界 90的市场，在近期内这种状况还不会改变。目前的扫描式测头，因结构复杂、体积大、价格昂贵,影响了其普及应用。扫描式测头的发展方向就是在不影响其精度和扫描速度的同时，研制结构简单、成本低的新型、高精度扫描式测头。另外，具有较大量程、能伸入小孔、用于测量微型零件的测头也在发展。特别指出，具有纳米分辩率的微测头是一个重要研究方向。而采用光栅传感器的数字化精密测头是扫描式测头的普遍发展趋势，其最终发展结果将出现智能化精密测头。扫描测量方式虽然比点位测量方式效率高，但仍然受到触测的限制。非接触式测头无需接触，在运动中采样测量，可避免精密量仪的频繁加速、减速、碰撞等，从而大大提高了测量效率；又因为非接触式测头的测量力为零，可以测量各种柔软、易于划伤的工件；另外，可以形成很小光斑，对一些接触测端不易伸入的部件进行测量，或对一些细节进行测量，并且有很大的测量范围
